智能制造物流管理实训平台开发与实践

文｜南京工业职业技术大学 谈慧 丁茜

摘 要： 制造业、物流业作为我国经济发展的两大支柱型产业，在制造业与物流业“两业”融合之中，智能制造生产物流将发挥重要桥梁作用。文章阐述了制造业和物流业联动发展的重要性，培养基于智能制造的智慧物流人才是物流专业“新文科”建设的目标；提出智能制造物流管理实训平台的设计理念和设计目标；依据智加工、精益物流的特点，构建智能制造物流管理实训平台的系统架构和业务流程；对采购与供应商管理、物料仓储与库存控制、生产与智能制造、智能料仓和数字化孪生可视系统五个主要模块的业务功能进行详细描述，最后总结出平台使用者所能达到的职业技能标准。

关键词 ：智能制造、物流业、制造业、实训平台

一、智能制造物流管理实训平台开发背景

随着“德国工业4.0”和“中国制造2025”的提出，为全球产业发展带来了新的变革，强大的机械制造技术，精准的现场管理水平，生产制造的数控化、信息化和智能化对岗位能力提出了更高要求[1]，与之相对应，跨界融合的复合型人才呼之欲出。2010年4月全国现代物流工作部际联席会议《关于促进制造业与物流业联动发展的意见》的通知中首次提到 “两业融合”的概念；2020年8月国家发展改革委等14部门联合印发《推动物流业制造业深度融合创新发展实施方案》中又提到“两业深度融合”；2021年3月国家发展改革委等13部门联合印发《关于加快推动制造服务业高质量发展的意见》，该文指出我们要构建包含产业链、供应链、价值链、人才链以及创新链的生态系统，强调从联动融合走向生态融合。

未来物流业与制造业的深度融合需要智慧物流人才作为支撑，而智慧物流人才恰恰就是典型的复合型人才。据《制造业人才发展规划指南》预测，到2025年，智能制造复合型人才缺口将达到1000万人。培养智慧物流人才，需要我们从智慧物流、智能制造以及生产物流等全新场景出发，培养学生跨行业、跨学科、跨专业的综合能力以及实践能力与数字化思维。未来智慧物流人才需要具备信息处理能力，熟悉传统物流运作模式，具有创新能力以及服务理念。生产物流人才需要具备现代生产的管理能力、能够进行生产计划与物料需求管理、熟悉生产物流系统以及完整产业链供应链管理能力。

智能制造物流管理实训平台的开发正是基于当前社会对智慧物流人才的需求，在物流专业“新文科”建设中，融入大数据、人工智能等先进技术，培养基于智能制造的智慧物流人才。

二、实训平台搭建的原则

智能制造物流管理实训平台的设计理念来源于大型制造企业生产线的精益制造管理思想。实训平台是智能车间的一个缩影，以物联网技术为支撑，将生产车间所有“物”包括工作人员、生产设备、物流设施设备、环境监控设备等集中一体化管理，接入局域网统一监控，在保证各设备功能独立运行的同时，亦可根据制造需求联动运行，达到生产车间、仓储物流的精益化、标准化、规范化、科学化、效能化、一体化智能管理，最大限度地提高生产及物流管理效率。通过管理系统结合智能料仓、条码扫描枪、RFID系统、智能工具箱等外设实现对订单、计划、转库、采购、入库、出库、生产、齐套、配送等一系列闭环管理，同时将这些作业过程完整的记录在系统数据库中，实现产线物流全生命周期的管理。平台使用主要面向精益生产管理、制造企业员工以及智能制造、物流相关专业的学习者。

三、实训平台的设计目标

智能制造整体解决方案以建立准时化生产线为目标，以工艺设计输出深度结构化、数字化为基础，使用信息化手段固化管理流程，驱动生产、采集数据、智能校验、全员协作，建立策划层与执行层之间的双向信息交互通道。横向实现企业生产信息透明化、管理信息一体化，纵向为项目成本管理、质量管理、进度管理提供过程管控与数据支撑。因此，本项目平台必须实现如下目标。

1.搭建人机协同物流环境

通过信息化的设备模拟制造产线物流运行的全过程场景。业务流程是在智能制造的大环境下，使用碎片化、数字化、信息化的手段将生产作业所需要的“人、机、料、法、环、测”以准时制的形式推送给现场作业人员，系统融合成熟的传感技术，全面感知作业现场，建立与现实同步的虚拟世界，系统指挥控制现场作业，实现生产作业的驱动。通过软硬件操作，形成智能制造时代下的人机协同的物流雏形。

2.智能化模拟生产线物流

平台中实操过程完全模拟智能制造生产物流过程，从订单录入、物料BOM清单、物料采购、备料、出入库、配送、生产、包装、入库、供应链配送等全过程对产线物流实际运作状态进行全过程模拟。如，备料环节系统将自动比对实际库存情况和物料BOM清单，从而反馈出备料缺件，而作业人员只需关注缺件清单，从而做出转库还是采购的决定，在完成所有备料工作后，确保产线的正常开工。

3.操作过程智能化、碎片化

工业4.0带来了“物联网”的概念，智能制造实训平台融入了物联网技术应用，在物料的存储、出入库、齐套扫描、生产制造等环节，大量的应用了RFID射频系统、电子拣选标签、条形码等承载信息的智能硬件，应用场景主要在收料、上架、拣选、齐套、配送、生产等。此外还应用了AI人脸识别、自动化传输线、智能检测、智能工具箱、智能料箱等新时代智能硬件。在生产及物流各个环节都是围绕着BOM清单，每一个环节只是碎片式的一次操作，系统能够智能化的自行比对、运算，快速获取物料缺口数据、生产线备料状态等信息。

四、实训平台的功能设计

企业主要面临工艺优化、智能控制、生产调度、物料平衡、设备运维、质量检验、绩效考核等核心问题[2]。智能制造物流管理实训平台致力于打造精益化仓储、精益化配送两大管理支柱，高效衔接生产控制计划，构建精益物流管理体系，保障生产、消除浪费、持续改善。精益制造解决方案从业务设计层、应用控制层、设备控制层等三个方面，进行业务重构和流程优化，实现产线物流与生产信息的同步。

该实训平台涵盖了企业管理、制造加工、仓储物流等功能，以提高产品生产质量及提升物流整体水平为目标，从仓储物流方面入手，将ERP、MES、WMS等管理系统有机地结合起来，使企业管理和先进制造融于一体。平台不仅可以让学习者熟悉并掌握制造企业“人、机、料、法、环、测”等智能制造岗位技能要求，还可促进产教融合，为高校教师开展科学研究搭建平台。

1.实训平台的总体架构

智能制造系统的特点是网络化、数字化、柔性化、精益化、敏捷化、可重构等[3]。尽管制造企业对每项技术的应用都已成熟，但在智能制造中的综合应用尚处于探索阶段。智能制造系统涵盖企业研发管理、精益制造管理、精益生产管理、数智加工、结构化工艺、库存管理、质量管理、全过程生产过程控制等功能。如图1所示。

智能制造物流管理实训平台以智能制造过程中的产线物流管理为切入点展开研究，依托智能制造设备，辅以精益制造MES、数字工艺平台，以“智能制造、精益物流”为主题，组建工厂与产线，整条智能管理产线可以自主完成产品从原材料到合格产品的整个制造过程，实现产品小批量、多样化生产。智能制造物流管理实训平台流程图，见图2。

2. 模块功能设计

（1）采购业务及供应商管理

①供应商管理：物料所对应的供应商基础信息，同一物料可以有多个不同的供应商，或者同一供应商提供不同的物料。通过管理供应商信息、生命周期、供货质量等，优化供应商关系[4]。

②系统具有创新的引导式采购和零星采购功能，实现采购流程的简化和数字化，从而提高合规性和控制力，同时降低成本与风险。

（2）物料仓储及库存控制

①仓储管理：通过出入库业务、库存调拨、物料移库、批次管理、库存盘点、质检管理和即时库存管理等功能，有效控制并跟踪智能制造物流和成本管理全过程，实现完善的企业制造及物流信息化管理。

②系统具备独特的物料编码和条码管理系统，能够分类管理好企业的库存物料，并提供相应的库存查询功能、出入库记录等，以及自定义打印表单等功能。

③具备库存预警功能，在库存物料数量低于设定下限或者高于设定下限时，系统会报警提示。

④具备时间告警功能，当库存物料过了保质期或者快到保质期时，系统会对该物料进行报警提示。

⑤数据接口功能：与条码扫描仪、条码打印机、RFID读写器等有接口功能，方便用户二次开发。系统开放库存物料的当前信息及数据库格式，提供只读功能，方便与其它应用管理软件共享库存信息。

（3）生产及智能制造

①智能化检测人、机、料、法、环、测六要素，通过人脸识别技术、自动感应技术、生产任务分解、数据分析比对等技术手段完成智能控制。

②智能化生产管理，从物料的存储、出入库、齐套检查、生产制造等环节，应用了RFID电子标签、条形码等承载信息的智能硬件，实现生产过程跟踪管理，生产数据采集与自动化传输线、智能检测、智能工具箱、智能料箱等实现共享。

（4）智能料仓

①智能料仓可对接集成生产系统、配送系统，确保将生产所需要的各种原材料准时送达生产线的装配点，保证生产线旁边的存储区域不出现缺料或过多堆积的现象，从而实现柔性化、精益化生产[5]。系统与数字化孪生可视系统进行连接，在大屏幕电子显示屏上实时显示物料信息。

②智能料仓包含物料、电子拣选料库、RFID料库、条码料库以及可视化智能料库。

③电子拣选料库主要包含物料、电子拣选物料盒及电子拣选标签。

④RFID料库主要包含物料、RFID物料盒、超高频电子标签及控制系统。

⑤条码料库主要包含物料、条码料库盒、条码标签。

⑥可视化智能料库主要包含物料、可视化智能物料盒、智能控制系统，可视化智能料库用于管理标准件，实时显示标准件的品种和数量。

（5）数字化孪生可视系统

数字化孪生可视系统可实时监控智能料仓中持续使用的物料信息流及数据流，将端到端的物料信息或产品生命周期数据整合到数字化主线中，方便管理者实时掌握生产供应链各环节作业现状。

五、平台的实践应用

智能制造物流管理实训平台以智能制造物流管理平台为载体，由智能制造管理软件、手持终端、条码打印机、RFID射频读写系统、电子标签、智能工具柜、智能料仓、生产线等软硬件构成，通过网络及软件管理系统把生产线上的智能化设备实现互联互通，将“人、机、料、法、环、测”数据实时采集并进行数据分析，从而实现自动决策和精确执行命令的生产精益管理目标。具体流程为：

作业者根据工艺路线进行生产线选择（全自动生产线还是半自动或手动装配生产线）或配置，在生产线配置完成后，系统依据人、机、料、法、环、测六要素进行核实，产线是否具备生产条件，环境是否符合生产要求，对生产作业任务（各工序、工序步骤、实施步骤）进行划分，通过AI人脸识别实现操作权限管理，后台经过系统处理实现智能语音播报提示，技术人员依据产品特征、产品结构、各项标准参数等数据，通过渲染视角和结构视角制作产品分解图、上传装配视频，完成产线作业者指导培训。生产线作业者依据视频指引，完成产品生产。终端摄像头采集生产完成的产品形状，上传系统和标准产品形状比对，实现工艺智能检测。

在物料的存储、出入库、齐套扫描、生产制造等环节，原材料出入库应用了RFID射频系统、电子标签拣选系统、手持终端系统等，通过物联网与WMS系统连接，完成在收料、上架、拣选、齐套、配送、生产等环节的数据采集。此外系统与AI人脸识别、自动化传输线、智能检测、智能工具箱、智能料箱等先进的智能硬件实现连接互通。

通过平台的操作使用，学习者应能达到以下职业技能标准：

（1）掌握生产线物流概念，理解工业生产物流与商业配送物流的差异点。

（2）搭建人机协同智能生产线物流的环境，通过实操可以智能化推演人机协同下的生产物流的模拟过程。如生产者进入生产车间时，能通过刷脸确认身份信息，进入产线工位，看板信息显示，含湿温度信息，装配原材料品名、规格，使用工具、力矩要求，装配要求等。

（3）物料BOM清单的正确理解与准确应用。按照看板要求正确领取物料，按装配顺序生产产品。

（4）智能设备的安装调试及维护保养。智能监控屏幕能实时显示设备运行状态，工具数量增减，故障代码提示等。

（5）智能制造物流管理软件的操作与掌握。包括订单处理、物料采购、备料、出入库、配送、生产、包装、入库、供应链配送等。

（6）智能制造物流系统结构化工艺设计能力。接到新产品生产任务后，根据原材料齐套情况、产线情况、生产能力、交货期等信息选择全自动还是半自动生产线，按产品结构设计工艺流程。

（7）智能制造物流各个环节的信息处理能力。能实时处理智能料仓、电子拣选料库、条码料库等数据信息，保证生产正常运行。

六、结语

智能制造是新时代助力传统制造企业转型升级、提质增效的必由之路，智能制造物流管理实训平台是当代智能工厂、智慧物流的一个缩影，平台的开发和应用适应了行业和社会发展的需要，可为制造企业在职人员补齐先进制造技术的短板，也可作为企业员工智能制造技能竞赛的平台，对职业院校而言，构建了物流业与制造业“两业融合”的孵化平台，不仅能培养“两业融合”的智能制造复合型人才，也为教师开展科研，服务地方经济发展提供了创新条件。

参考文献：

[1] 许怡赦,罗建辉,李铭贵. 智能制造单元系统集成应用实训平台的设计与实现[J].实验技术与管理,2020(8):227-232.

[2] 柴春蕾,曹梅. 智能制造系统架构设计与发展路径研究[J].智能制造,2021(3):41-43.

[3] 郑茂宽,明新国,李淼,何丽娜,历秀珍. 智能制造系统总体架构及发展趋势探讨[C]. 2013先进智能制造技术发展研讨会论文集,2013(6):1-10.

[4] 许鹏辉,金忠,耿梦伟.智能制造系统中的智能仓库设计[J].现代制造技术与装备,2019(7):119-120

[5] 姜大立,林萍,胡瑞鹤. 面向智能制造的数字仓储系统设计[J].包装工程,2021(5):255-260.

工厂信息化系统（ERP、PLM、MES、WMS）架构设计与建设规划

作者：安恒智能科技有限公司 梁华 | 来源：《机电信息》

0 引言

智能工厂信息化系统需要将现代管理理论、智能制造理论与最新信息化技术、 自动化技术、网络通信技术、信息物理系统、大数据技术、云计算技术深度融合，通过科学规划和全面集成企业设备单元、生产监控、制造执行、企业管理、设计研发等各类系统，最终构建由智能设计、智能经营、智能生产、智能决策组成的智能工厂。

1 规划范围

基于智能工厂所需的主要业务系统进行规划建设，主要有：

（1）ERP （企业资源计划系统）：它是企业信息化的核心系统，管理销售、生产、采购、仓库、质量、成本核算等.

（2）PLM（产品生命周期管理系统）：它负责产品设计的图文档、设计过程、设计变更、工程配置的管理，为ERP系统提供最主要的数据源BOM表，同时为MES系统提供最主要的数据源工艺路线文件。

（3）MES（制造执行系统）：它负责车间中生产过程的数字化管理， 实现信息与设备的深度融合，为ERP系统提供完整、及时、准确的生产执行数据 ，是智能工厂的基础。

（4）WMS（仓库管理系统）：它具备入库业务、出库业务、仓库调拨等功

能，从ERP系统接受入出库物料清单和MES系统中接受入出库指令，协同AGV小车完成物料配送的自动化， 实现立体仓库、平面库的统一仓储信息管理。

2 智能工厂信息化总体架构

基于企业系列标准的支持和企业级别的信息安全要求，在信息物理融合 系统（CPS）的支持下，构建智能设计、智能产品、智能经营、智能服务、智能生产、智能决策六大系统。其中，通过服务网、物联网将企业设施、设备、组织、人互通互联， 集计算机、通信系统、感知系统一体化，实现对物理世界的安全可靠、实时、协调感知和控制；同时通过企业信息门户（EIP）实现与客户、供应商、合作伙伴的横向集成（如协同商务和信息共享），以及实现企业内部的纵向集成（如不同系统之间的业务协同）。构建的智能工厂总体框架如图1所示。根据信息化系统规划范围及建设相关要求，本文参照智能化工厂的总体框架，构建符合企业业务特点的信息化系统架构，如图2所示。

图1 智能化工厂的总体框架

图2 信息化系统架构

3 信息化系统规划的主要内容

3.1 ERP系统

3.1.1功能和目标

ERP系统着重解决物料台账、合同、计划、采购、成本等相关管理目标，具体如下：

（1）提升管理概念。由定性管理转变为定量管理；由单一的职能式管理转变为资源式管理。

（2）理顺管理流程。理顺和制定适应单件小批量加工装配型企业的生产管理 程流程，规范生产流程环节中的各类票据，根据岗位说明书制定相应的操作制度及条例。

（3）实现物料配送，建立缺件报警制度。将领料制仓库变成配送制仓库，在装配前做缺件分析，推行缺件报警制度。

（4）有效控制库存。提出配套库存的管理思想，努力降低库存中长短件的比例。

（5）降低成本。从限额发料、控制库存、缩短生产周期等方面降低生产成本。

（6）缩短生产周期。通过提高设计及生产环节对工程变更的反应速度、提高装配中物料的齐套率、减少生产装配中停工待料的时间和缩短采购周期等措施，实现缩短成品的生产周期。

（7）建立生产的可预见性机制，包括销售预测、库存预测、缺件预测、生产过程预测、客户定单交货期预测、采购到货期预测、生产成本预测等。

（8）建立生产计划的控制和反馈机制体系，实现各类生产计划的闭环管理。

（9）建立价格管理和多层次成本控制体系。建立原材料基准价管理体系、零部件/外协件的定额成本价、合同的实际成本计算体系等，形成完善的销售报 价审计、采购合同价格审计、设计成本审计和完工审计制度。

（10）建立、高速、专业、准确的报价体系。

（11）最终实现公司生产、运营 、财务一体化管理。

3.1.2 系统架构规划

ERP系统的架构规划如图3所示。

图3 ERP系统的架构规划

3.2 PLM系统

3.2.1 功能和目标

PLM系统着重解决工艺设计、图纸管理、设计变更等相关管理目标，具体如下：

（1）建立统一、高效、规范的文控体系，实现企业资料的有效沉淀和有序管理。

（2）建立企业物料标准库，规范管理物料。

（3）搭建图文档管理平台和工艺信息管理平台，前端支持各类CAD数据的集成，包括常用的AutoCAD、SolidWorks等数据格式，实现对CAD数据的信息提取、在线浏览等。

（4）通过图文档管理系统平台，实现产品数据安全共享、产品结构化管理，在审批流程方面，实现电子审批。

（5）通过工艺信息管理平台，实现工艺卡片图文混排编制、工艺路线的编制，通过汇总报表BOM的输出，支撑生产。

3.2.2 系统架构

PLM系统架构如图4所示。

图4 PLM系统架构

3.3 MES系统

3.3.1 功能和目标

MES系统着重解决生产过程管控、防错防呆、产质量追溯、设备运行等相关管理目标，具体如下：

（1）全面集成。承上启下，完成公司所有与MES系统链接的信息化系统 （如ERP、PLM等）、自动化控制系统（如钣金、铜排、二次裁线、产线等）和设备（如实验设备等）的无缝集成，通过MES系统整合上下游信息流、建立一个业务统一、流程顺畅、数据规范的生产管理平台。

（2）精益排程。结合ERP系统建立先进的计划体系，制定在产能和物资等资源约束条件下的详细排程计划，统一指挥控制物料、人员、流程指令和设备等工厂生产资源。

（3）自动化物流和物料管理。MES系统应覆盖部分WMS功能，并实现与自动化物流系统（如自动化立库、AGV小车等）一道完成生产物流管理，在数字化工厂内实现无人化自动物料流转，MES系统指挥和跟踪物料流动、管理物料消耗、编制物料投料计划等，同时采用工单、批次管理，实现对物料的跟踪和回馈。

（4）质量管理。质量管理以生产过程质量信息汇总和控制为核心，建立快速、高效全过程的质量反馈、质量处理、质量跟踪控制，MES系统自动生成各类质量报告和出厂试验报告等资料。

（5）生产过程管理。以全厂数据采集系统为基础，建立起综合控制系统，包括电子看板、SCADA系统集成、监控中心和Andon系统等，实时显示整个生产过程的各种现场数据，并按照预先设定的报条件，出现异常情况应及时报警提醒，并采取相应的调度措施。

（6）设备管理。对生产车间主要生产设备的使用频率、运行状况、工时、定额、能耗、产能等有关信息进行采集和分析，对设备进行全面的运筹管理，以达到保持设备完好率、充分发挥其效能的目的。

（7）统计分析。对实时数据进行统计分析 ，通过对大量数据的综合分析，可以对生产运行情况进行有效评价，为优化组织、提高产量质量、提高设备保障能力、降低生产成本提高强有力的手段 ，如员工绩效管理、核算计件工资、设备效率分等。

（8）移动化应用。支持手机、PDA等移动终端，实现移动端的派工报工、接料发料、数据录入、生产进度跟踪、实时统计分析展示等。

3.3.2 系统架构

MES系统架构如图5所示。

图5 MES系统架构

3.4 WMS系统

3.4.1 功能和目标

WMS系统着重解决实物仓储、出入库、物料质检、组盘等相关管理目标，具体如下：

（1） 实现原材料、成品、备品备件的出入库、调拨、转换、质检、在库等过程的有效的全方位管控。

（2） 实现ERP系统、WMS系统及库存实物信息交互的及时性和一致性。

（3） 实现账务相符、物料流转及消耗的精准追踪、多样化盘点功能应用。

（4） 底层技术应用，实现自动化调度。

3.4.2 系统架构

WMS系统架构如图6所示。

图6 WMS系统架构

4 结语

企业信息化建设可采取“总体规划、分步实施”的原则，避免出现信息孤岛，ERP、PLM、MES和WMS系统是智能工厂信息化建设的重点，各系统的架构和功能设计以及系统间数据的接口设计是信化规划的关键，各系统应实现信息的无缝集成和数据交互，以实现企业“智能制造”的最终目标。

参考文献

[1] 李翔,李颖.企业信息化评估与规划之路[M].北京:机械工业岀版社,2015.

[2] 信江艳.企业信息化规划[M].北京:清华大学出版社,2017.

[3] 闪四清.ERP系统原理和实施[M].北京:清华大学出版社,2017.

[4] 王爱民.制造执行系统（MES）实现原理与技术[M].北京:北京理工大学出版社,2014.

[5] 蒋明炜.机械制造业智能工厂规划设计[M].北京:机械工业岀版社,2017.

[6] 胡成飞,姜勇,张旋.智能制造体系架构建设：面向中国制造2025的实施路线[M].北京:机械工业岀版社,2017.

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